КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 25-73-00197
НазваниеРазработка перспективных материалов для высокоэффективной фотокаталитической очистки воды от органических загрязнителей и бактерий под воздействием коммерческих ламп видимого света на основании допированных ионами хрома, железа и алюминия наночастиц диоксида олова
Руководитель Подурец Анастасия Александровна, Кандидат химических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" , г Санкт-Петербург
Конкурс №110 - Конкурс 2025 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными, приоритетного направления деятельности Российского научного фонда «Поддержка молодых ученых»
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-603 - Фундаментальные основы создания новых металлических, керамических и композиционных материалов
Ключевые слова гидротермальная обработка, метод соосаждения, наночастицы диоксид олова, допирование, ионы 3d металлов, механизм ориентированного присоединения, полупроводники, фотокатализ в УФ и видимой области света, органические красители, квантово-химическое моделирование, кислородные вакансии, дефекты, электрохимический анализ, антибактериальные свойства, E.coli
Код ГРНТИ31.15.19
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Санкт-Петербург — это крупнейший мегаполис с уникальной водной системой, которая составляет важную часть его ландшафтной архитектуры. Поддержание водных объектов в надлежащем состоянии и рациональное использование поверхностных и подземных вод имеют критическое значение для устойчивого развития города. Процессы урбанизации и сброс сточных вод в водные артерии города и Финский залив негативно сказываются на качестве воды и нарушают природоохранные нормы, что стало важной экологической проблемой в последние десятилетия. Среди мероприятий для оздоровления экологической ситуации выделяются переход на водосберегающие технологии и полная очистка хозяйственно-бытовых и промышленных стоков. В настоящее время наблюдается рост выбросов органических загрязнителей, таких как антибиотики и органические красители, которые доставляются в гидросферу химико - фармацевтическими предприятиями, животноводческими фермами и текстильным производством, что подчеркивает необходимость адаптации традиционных систем очистки под новые методы для решения современных экологических задач по эффективному и безотходному удалению вредных веществ. Среди множества разработанных методов технология фотокатализа с использованием оксидных полупроводниковых наночастиц, основанного на механизме образования электронов и дырок внутри самой частицы с последующим появлением реакционноспособных радикалов на ее поверхности и полным окислением загрязнителей, признана перспективной для быстрой, безотходной и экологичной очистки.
Фотокаталитическая технология направлена на удаление всех видов циклических органических соединений, таких как, например, органические красители или антибиотики. Направление данного Проекта полностью соответствует современному уровню мировых исследований, так как очистка сточных вод и ее повторное использование становится основным способом улучшения санитарно- эпидемиологического состояния окружающей среды и значимость данного подхода существенно взрастает в связи с активным развитием промышленности. Потребность в новых экологических подходах к очистке воды обусловила активное развитие полупроводникового фотокатализа — передовой технологии очистки окружающей среды от циклических органических соединений под действием видимого света. Однако вопросы улучшения эффективности фотокатализа, особенно под действием видимого света, а также тема регулирования этой эффективности до сих пор остаются открытыми.
Таким образом, для развития фотокатализаторов как для научных исследований, так и для промышленного применения, необходимо разработать алгоритм дешевого, эффективного и, что также очень важно, масштабируемого способа производства фотокатализаторов.
В настоящей заявке предлагается комплексный подход по созданию энергоэффективных фотокатализаторов с использованием допированных трехзарядными ионами хрома, железа и алюминия наночастиц SnO2 различной формы для очистки сточных вод, основанный на установлении взаимосвязи между условиями синтеза и химическим составом – морфологическими и структурными параметрами – фотокаталическими свойствами с использованием химического и расчетного подходов, что позволит управлять активностью фотокатализатора путем направленного изменения его параметров.
Полученные в результате реализации Проекта данные позволят разработать подход регулирования количества кислородных вакансий и дефектов в наночастицах допированного диоксида олова в методе ориентированного присоединения с помощью контролируемого изменения условий синтеза, что поможет не только предсказывать размер и форму наночастиц, но и открыть новые свойства существующих материалов.
Ожидаемые результаты
В ходе выполнения Проекта будут получены следующие результаты:
• Будет получена обширная серия допированных ионами хрома, железа и алюминия образцов диоксида олова сферической и кубической формы с различным содержанием кислородных вакансий и дефектов;
• Будет проведена комплексная характеризация образцов и установлена взаимосвязь между условиями синтеза и морфологическими и структурными параметрами в виде корреляционных зависимостей, что позволит регулировать условия синтеза для получения заданных структурных свойств;
• Будут проведены квантово-химические расчеты электронных свойств, энергий взаимодействия первичных блоков между собой и с компонентами реакционной среды, определено положение допантов в структуре;
• Будут установлены закономерности формирования допированных наночастиц по механизму ориентированного присоединения;
• Будет проведено комплексное изучение фотокаталитических свойств наночастиц установлена взаимосвязь между морфологическими и структурными параметрами наночастиц и их фотокаталитическими характеристиками;
• Будет изучена фотодеградация смеси различных органических красителей приготовленной на основе пробы воды бассейна Невы и созданы рекомендаций по варьированию условий получения частиц для эффективной фотокаталитической очистки;
• Будет изучена эффективность разделения заряда с использованием электрохимической ячейки и источников излучения для проведения измерений методами фотоэлектрохимии и спектроскопии импеданса для исследования дефектной структуры материала;
• Будут изучены антибактериальные свойства наночастиц в присутствии E.Coli под воздействием видимого излучения;
• Будет установлено взаимодействие со специалистами ГУП «Водоканал» для разработки технологии будущего, обладающей значительными перспективами применения в северо-западных очистных сооружениях (СЗОС) Санкт-Петербурга.
На основании общемировой тенденции создания фотокатализаторов с использованием полупроводниковых наноструктур оксидов металлов и поиска ключевого фактора, регулирующего фотокаталитическую активность для улучшения очистки сточных вод от органических загрязнителей, результаты Проекта по созданию рационального подхода, позволяющего предсказывать эффективность материала в зависимости от его структурных параметров, соответствуют мировому уровню современных исследований.
С точки зрения создания экологичного, безопасного и энергоэффективного подхода по созданию безотходной очистки и повторного использования сточных вод в ходе данного Проекта будут разработаны наночастицы с регенерируемыми свойствами для многократного использования, обладающие фотокаталитической активностью под воздействием источников видимого света.
Междисциплинарность данного Проекта заключается в комплексном подходе, основанном на использовании экспериментальных данных, полученных с помощью широкого спектра физико-химических методов исследования, и использовании оригинальных расчетных подходов для теоретического исследования структурных свойств наночастиц, а также фотокаталитических свойств для детального описания механизма деградации органических загрязнителей.
По результатам Проекта будет опубликовано 4 статьи в изданиях, индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science, результаты будут представлены в виде докладов на российских и международных конференциях членами молодого и активно-развивающегося коллектива, а также установлены новые связи для расширения научного взаимодействия.
Результаты Проекта будут представлены на обсуждение с представителями ГУП "Водоканал" в Санкт-Петербурге для учета специфики северо-западных очистных сооружений (СЗОС), анализ проведенных исследований и рассмотрения возможных дополнений к нашей разработке для обеспечения её эффективного применения в данной области.